KR20090061833A - Activation method of mea using cyclo voltammetry - Google Patents

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Abstract

An activation method of MEA(membrane-electrode assembly) using cyclo voltammetry is provided to accelerate activation of MEA, to reach maximum performance within fast time, and to improve performance of the membrane electrode assembly. An activation method of MEA(membrane-electrode assembly) using cyclo voltammetry comprises the steps of supplying humidified gas for hydration of a membrane and an electrode; and performing cyclo voltammetry activation method for an electrode layer activation. The first step does not use an electron load and application device and supplies only humidified air. The second step circulates voltage with an arbitrary value at voltage of 0~3 V in cyclo voltammetry cycle.

Description

CV 활성화법을 이용한 고분자 전해질 연료전지 MEA의 활성화 방법{Activation method of MEA using cyclo voltammetry}Activation method of MEA using cyclo voltammetry

본 발명은 고분자 전해질 연료전지 MEA의 활성화 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 단시간 내에 최대 셀 성능을 측정할 수 있는 CV(cyclo voltammetry) 활성화법을 이용하여 고분자 전해질 연료전지 MEA(membrane/electrode assembly)를 활성화하는 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method for activating a polymer electrolyte fuel cell MEA, and more particularly, a polymer electrolyte fuel cell MEA (membrane / electrode assembly) using a cyclo voltammetry (CV) activation method capable of measuring maximum cell performance in a short time. It is about how to activate.

일반적으로 고분자 전해질 연료전지(Polyer Electrolyte Membrane Fuel Cells)는 다른 형태의 연료전지에 비해 효율이 높고, 전류밀도 및 출력밀도가 크다.In general, polymer electrolyte fuel cells (Polyer Electrolyte Membrane Fuel Cells) are more efficient, higher current density and higher power density than other types of fuel cells.

또한, 시동 시간이 짧고 부하 변화에 빠른 응답 특성이 있다.In addition, the startup time is short and there is a fast response to load changes.

특히, 반응 기체의 압력 변화에 덜 민감하며 다양한 범위의 출력을 낼 수 있다.In particular, they are less sensitive to changes in pressure of the reaction gas and can produce a wide range of outputs.

그래서 무공해 차량의 동력원, 자가 발전용, 이동용 및 군사용 전원 등 다양 한 분야에 응용될 수 있다.Therefore, it can be applied to various fields such as power source of pollution-free vehicle, power generation for self, mobile and military power.

고분자 전해질 연료전지는 수소와 산소를 전기화학적으로 반응하여 물을 생성하면서 전기를 발생시키는 장치이다.A polymer electrolyte fuel cell is a device that generates electricity while generating water by electrochemically reacting hydrogen and oxygen.

공급된 수소가 음극 전극의 촉매에서 수소 이온과 전자로 분리되고, 분리된 수소이온은 전해질 막을 통해 양극으로 넘어가게 된다.The supplied hydrogen is separated into hydrogen ions and electrons in the catalyst of the cathode electrode, and the separated hydrogen ions are passed to the anode through the electrolyte membrane.

이때, 양극에 공급된 산소는 외부도선을 통해 양극으로 들어온 전자와 결합하여 물을 생성하면서 전기에너지를 발생시킨다.At this time, the oxygen supplied to the anode combines with the electrons introduced into the anode through an external conductor to generate water while generating water.

이때, 이론 전위는 1.23V이며, 반응식은 아래와 같다. At this time, the theoretical potential is 1.23V, the reaction equation is as follows.

Anode : H2 → 2H+ + 2e- Anode: H 2 → 2H + + 2e -

Cathode : 1/2 O2 + 2H+ + 2e- → H2O Cathode: 1/2 O 2 + 2H + + 2e - → H 2 O

일반적으로 연료전지의 전극은 나피온 같은 수소이온 전달체와 백금과 같은 촉매를 혼합하여 만드는데, 연료전지 MEA 제작 후 초기 운전시 전기 화학 반응에서 그 활성도가 떨어진다. In general, an electrode of a fuel cell is made by mixing a hydrogen ion carrier such as Nafion and a catalyst such as platinum. The activity of the fuel cell is reduced in electrochemical reaction during initial operation after fabrication of the fuel cell MEA.

그 이유는 다음과 같다. The reason for this is as follows.

1. 반응물의 이동 통로가 막혀 촉매까지 도달할 수 없다.1. The flow path of the reactants is blocked and cannot reach the catalyst.

2. 촉매와 같이 삼상계면을 이루고 있는 수소이온 전달체가 운전 초기 쉽게 가수화가 되지 않기 때문이다.2. This is because the hydrogen ion carrier which forms three phase interface like catalyst is not easily hydrolyzed at the beginning of operation.

3. 수소이온 및 전자의 연속적인 이동성 확보가 되지 않았기 때문이다. 3. It is because the continuous mobility of hydrogen ions and electrons is not secured.

4. 전극 제조시 불순물 함유 가능성이 있다. 이러한 불순물이 촉매의 활성의 감소시킨다. 4. There is a possibility of containing impurities in electrode production. These impurities reduce the activity of the catalyst.

5. 촉매에 형성된 산화 피막에 의하여 촉매의 활성이 감소된다.5. The oxide film formed on the catalyst reduces the activity of the catalyst.

6. 연료전지 반응에 적합한 촉매 전자 구조 최적화가 이루어지지 않았다. 6. There is no optimization of catalytic electronic structure suitable for fuel cell reactions.

이 때문에 연료전지 조립 후 성능을 최대한 확보하기 위해서는 활성화(Activation)라는 절차가 필요하다.For this reason, a procedure called activation is required to maximize performance after assembling the fuel cell.

Pre-conditioning, break-in으로 불리기도 하는 활성화의 목적은 다음과 같다. The purpose of activation, also called pre-conditioning and break-in, is to:

1) 반응에 참여하지 못하는 촉매를 활성화 1) Activate catalysts that do not participate in the reaction

2) 전해질 막 및 전극내 포함된 전해질을 충분히 수화시켜 수소이온 통로를 확보2) Hydrogen membrane and electrolyte contained in the electrode are sufficiently hydrated to secure hydrogen ion passage

3) 촉매의 피독물 제거3) Toxic removal of catalyst

4) 촉매를 둘러싸고 있는 불필요한 산화피막 제거4) Removal of unnecessary oxide film surrounding the catalyst

5) 연료전지 반응에 적합한 촉매 전자 구조로 변환5) conversion to catalytic electronic structures suitable for fuel cell reactions

연료전지 조립 후 최고 성능까지 도달하기 위해 실시하는 활성화는 운전 조건에 따라 수시간 또는 수일이 걸릴 수 있고, 적절치 못한 활성화로 인해 연료전지가 최고의 성능에 도달하지 못한 채 운전될 수도 있다.Activation performed to reach maximum performance after fuel cell assembly may take hours or days depending on the operating conditions, and the fuel cell may operate without reaching the highest performance due to improper activation.

이렇듯 부적절한 활성화 절차는 연료전지 대량 생산시 생산 속도를 감소시키고, 많은 양의 수소 사용을 초래하여 스택 단가를 상승시키게 되며, 낮은 스택 성능을 유지시킨다.This improper activation procedure reduces the production rate in fuel cell mass production, results in the use of large amounts of hydrogen, increases the stack cost, and maintains low stack performance.

또한, MEA의 최대 셀 성능을 측정하는데 시간이 오래 소요되어, 현실적으로 측정 어려움이 있다.In addition, it takes a long time to measure the maximum cell performance of the MEA, which is difficult to measure in reality.

이럴 경우, MEA의 최대 셀 성능을 잘 못 측정하여 MEA의 개발 방향이 바뀔 수도 있다.In this case, the MEA's maximum cell performance may be measured incorrectly and the development direction of the MEA may be changed.

따라서, 단 시간 내에 MEA 및 스택의 최대 셀 성능을 측정하기 위한 적절한 활성화 방법을 고안하는 것이 매우 시급하다. Therefore, it is very urgent to devise an appropriate activation method for measuring the maximum cell performance of the MEA and stack in a short time.

연료전지의 활성화는 연료전지 제작 업체마다 여러가지 다른 방법을 가지고 수행하고 있지만 주된 활성화 방법은 일정 전압하에서 장시간 운전하는 것이다.Although activation of fuel cells is carried out in various ways by fuel cell manufacturers, the main activation method is to operate for a long time under a constant voltage.

AISIN SEIKI Co. Ltd. 특허(출원번호:2003-143126, 고체고분자 연료전지의 활성방법, 일본)에서는 저전압에서 장시간 두어 스택 성능이 더 이상 향상되지 않는 부분까지 활성화하는 방법을 제시하고 있는데, 이 경우 활성화 절차는 간단하지만 연료전지의 최고 성능이 나타나는데 매우 장시간의 시간이 소요된다. AISIN SEIKI Co. Ltd. Patent (Application No .: 2003-143126, Activation method of solid polymer fuel cell, Japan) discloses a method of activating to a portion where the stack performance is no longer improved at low voltage for a long time. It takes a very long time to get the best performance from the battery.

도 1에서 나타낸 현대자동차 특허(출원번호:2005-127743, 스텝 전압 운전을 적용한 고분자 전해질 연료전지의 신 활성화 절차)에서는 스택에 전압 싸이클을 가하는 방법으로, 높은 상대 습도 및 온도에서 활성화하여 활성화 시간을 평균 4시간으로 단축시키는 방법을 제시하고 있다.In the Hyundai Motor patent (Application No .: 2005-127743, a new activation procedure of a polymer electrolyte fuel cell applying a step voltage operation) shown in FIG. 1, a voltage cycle is applied to a stack to activate the activation time at high relative humidity and temperature. It is suggested to reduce the average time to 4 hours.

그러나, 이 역시 활성화가 느릴 경우 8시간 이상 소요되는 단점이 있다.However, this also has a disadvantage that takes longer than 8 hours when the activation is slow.

이러한 기존 활성화 절차는 활성화 목적인 1) 반응에 참여하지 못하는 촉매를 활성화, 2) 전해질 막 및 전극내 포함된 전해질을 충분히 수화시켜 수소이온 통로를 확보를 하는 것에만 목적을 두기 때문에, 촉매내의 불순물 제거 및 불필요한 산화피막을 제거 및 전자 구조 제어를 통하여, 활성을 높이는 방법으로는 미흡하다. This conventional activation procedure aims at activating a catalyst that does not participate in the reaction, which is the purpose of activation, and 2) hydrating the electrolyte contained in the electrolyte membrane and the electrode sufficiently to secure a hydrogen ion channel, thereby removing impurities in the catalyst. And by removing the unnecessary oxide film and controlling the electronic structure, the method of increasing the activity is insufficient.

촉매 자체의 활성를 증가시키기 위해서는 1)촉매의 피독물 제거, 2) 촉매를 둘러싸고 있는 불필요한 산화피막 제거, 3) 연료전지 반응에 적합한 촉매 전자 구조 제어를 위하여 새로운 MEA(membrane electrode assembly) 활성화 절차가 필요한 실정이다.In order to increase the activity of the catalyst itself, a new MEA (membrane electrode assembly) activation procedure is required for 1) removal of catalyst poisons, 2) removal of unnecessary oxide films surrounding the catalyst, and 3) control of the catalyst electronic structure suitable for fuel cell reactions. It is true.

본 발명은 고분자 전해질 연료전지 MEA(membrane electrode assembly)의 성능을 향상시키고, 빠른 시간 내에 안정적으로 성능을 내기 위한 MEA 활성화(Accelerated Activation) 방법을 제공한다. The present invention provides a MEA activation method for improving the performance of a polymer electrolyte fuel cell MEA (membrane electrode assembly) and stable performance in a short time.

기존 MEA의 활성화 방법은 전해질 막 및 전극내 포함된 전해질을 수화시키는 것에만 중점을 둔 반면에, CV 활성화법은 1)촉매의 피독물 제거, 2) 촉매를 둘러싸고 있는 불필요한 산화피막 제거, 3) 연료전지 반응에 적합한 촉매 전자 구조 제어를 통한 MEA활성화 방법이다.Conventional MEA activation methods focus only on hydrating the electrolyte membrane and the electrolyte contained in the electrode, whereas CV activation method 1) removes poisoning of catalyst, 2) removes unnecessary oxide film surrounding catalyst, 3) MEA activation method through catalytic electronic structure control suitable for fuel cell reaction.

CV 활성화법을 수행한 MEA의 경우, 수행하지 않은 MEA보다 빠른 시간 내에 최대 성능에 도달할 수 있을 뿐만 아니라, 경우에 따라서는 성능 증가도 나타내었다. In the case of the MEA with the CV activation method, not only the maximum performance can be reached within a shorter time than the MEA without the performance, but also the performance increase is shown in some cases.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 CV 활성화법을 이용한 고분자 전해질 연료전지 MEA의 활성화 방법은 MEA 및 스택을 약 2시간 반 이내에 안정적으로 최대 성능을 측정하기 위하여 연료전지를 활성화시키기 위해 장비에 장착한 후, 2단계로 세분화하여 활성화시키는 단계를 수행하되, 막 및 전극의 전해질 수화를 위하여 가습된 가스를 공급하는 1단계와, 전극층 활성화를 위하여 CV(cyclo voltammetry) 활성화법을 실시하는 2단계를 수행하는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 한다. The method for activating a polymer electrolyte fuel cell MEA using the CV activation method according to an embodiment of the present invention for achieving the above object is to activate the fuel cell to stably measure the maximum performance of the MEA and the stack within about 2 and a half hours. After the installation to the equipment to perform the subdivided into two steps to activate, the first step to supply a humidified gas for the electrolyte hydration of the membrane and electrode, and the CV (cyclo voltammetry) activation method for the electrode layer activation Characterized in that the two steps to perform.

여기서, 상기 1단계에서는 전자 부하 및 인가 장치를 사용하지 않고 가습된 공기만 공급할 수 있고, 상기 2단계의 CV 사이클에서는 0V ~ 3V 사이의 전압에서 임의의 값에서 전압을 순환시킬 수 있으며, 또 2단계에서는 CV 사이클을 몇 단계로 분할하여 수행하거나, 또는 한번에 연속적으로 여러 CV 사이클을 구동시킬 수 있다. Here, in the first step, only humidified air can be supplied without using an electronic load and an application device, and in the CV cycle of the second step, the voltage can be circulated at an arbitrary value at a voltage between 0 V and 3 V, and 2 In a step, the CV cycle can be divided into several steps, or several CV cycles can be driven in succession at one time.

상기 2단계에서 CV 사이클을 분할할 때, 분할 중간에 가습된 공기를 불어넣어 줄 수 있다. When dividing the CV cycle in step 2, the humidified air can be blown in the middle of the dividing.

상기 1단계의 경우 가습된 가스는 질소를 포함하여, 산소, 수소 및 불활성 기체 모두를 포함하여 가습할 수 있고, 상기 2단계의 경우 CV 사이클 때 가습된 가스는 음극에서는 수소를 공급하고, 양극에는 불활성 기체 및 산소를 공급할 수 있다. In the first stage, the humidified gas may be humidified including nitrogen, all of oxygen, hydrogen, and an inert gas.In the second stage, the humidified gas may supply hydrogen at the cathode, and at the anode, at the CV cycle. Inert gas and oxygen can be supplied.

상기 MEA 및 스택의 활성화를 위하여 CV 사이클에서 각각에 셀을 병렬로 연결하여 스택을 제어하거나, 또는 셀을 직렬로 연결하여 스택 전체를 CV 사이클로 수행할 수 있다. In order to activate the MEA and the stack, cells may be connected in parallel to each other in a CV cycle to control the stack, or cells may be connected in series to perform the entire stack in a CV cycle.

본 발명에서 제공하는 CV 활성화법을 이용한 고분자 전해질 연료전지 MEA의 활성화 방법은 빠른 시간 내에 스택 및 MEA를 활성화시켜 최대 셀 성능을 측정할 수 있고, 또한 활성화하는데 비용을 최소화할 수 있다. The method of activating the polymer electrolyte fuel cell MEA using the CV activation method provided by the present invention can activate the stack and the MEA within a short time to measure the maximum cell performance, and also minimize the cost of activation.

기존 활성화의 문제점은 1. 많은 시간과 연료가 필요하고 2. 시간이 많이 소요되기 때문에MEA 최대 성능 측정의 현실적 어려움이 있고, 결국 MEA의 최대 셀 성능을 잘못 측정할 수 있다.The problem with traditional activation is that it takes a lot of time, fuel, and 2. time, so there is a practical difficulty in measuring the MEA maximum performance, which in turn can incorrectly measure the maximum cell performance of the MEA.

따라서, 본 발명에서는 2단계 공정을 세분화하여 활성화를 수행함으로써, MEA 활성화를 가속화시킬 수 있으며, 최대 셀 성능을 측정할 수 있는 장점이 있다.Therefore, in the present invention, by performing the activation by subdividing the two-step process, it is possible to accelerate the MEA activation, there is an advantage that can measure the maximum cell performance.

보통 연료전지는 음극으로 수소를 양극으로 공기 또는 산소를 공급하여 내부에서 전기화학반응을 일으킴으로써, 고효율의 전기 에너지와 반응에 의한 물을 발생시키는 장치이다.In general, a fuel cell is a device that generates water by high-efficiency electrical energy and reaction by causing an electrochemical reaction inside by supplying air or oxygen to the anode and hydrogen or hydrogen to the cathode.

반응 가스에 의한 전기 화학 반응은 연료전지 내부에 있는 촉매층에서 일어나게 되며, 이때 발생된 수소 이온은 촉매층 내 전해질과 전해질 막을 통해 이동하게 되고, 전자는 촉매, 가스확산층, 분리판을 통해 전기 발생 장치로 들어가게 된다. The electrochemical reaction by the reaction gas occurs in the catalyst layer inside the fuel cell, and the generated hydrogen ions move through the electrolyte and the electrolyte membrane in the catalyst layer, and the electrons are transferred to the electricity generating device through the catalyst, the gas diffusion layer, and the separator. Will enter.

하지만, 전해질이나 전해질 막을 통해 이동하는 수소 이온의 경우 전해질 막 내에 존재하는 물을 통해 이동하기 때문에 연료전지가 더 좋은 성능을 나타내기 위해서는 촉매층 내 전해질과 전해질 막이 충분히 수화되어 있어야 한다.However, since hydrogen ions moving through the electrolyte or the electrolyte membrane move through the water present in the electrolyte membrane, the electrolyte and the electrolyte membrane in the catalyst layer must be sufficiently hydrated in order for the fuel cell to exhibit better performance.

또, 전기 화학 반응을 위해서는 반응가스의 촉매층 도달이 원활하여야 한다.In addition, for the electrochemical reaction, the reaction gas must reach the catalyst layer smoothly.

뿐만 아니라, 최대 셀 성능을 내기 위해서는 제조 공정 및 보관 시에 발생 할 수 있는 촉매층에 불필요한 산화 피막 및 불순물 제거 및 반응에 적합한 촉매의 전자 구조 변환도 이루어져야 한다. In addition, in order to achieve maximum cell performance, an electronic structure conversion of a catalyst suitable for removing unnecessary oxide films and impurities and reactions in a catalyst layer that may occur during manufacturing and storage should be performed.

이렇듯 활성화의 목적은 다음과 같다.Thus, the purpose of activation is as follows.

1) 반응에 참여하지 못하는 촉매를 활성화 1) Activate catalysts that do not participate in the reaction

2) 전해질 막 및 전극 내 포함된 전해질을 충분히 수화시켜 수소이온 통로를 확보2) Hydrogen membrane and the electrolyte contained in the electrode are sufficiently hydrated to secure hydrogen ion passage

3) 촉매의 피독물 제거3) Toxic removal of catalyst

4) 촉매를 둘러싸고 있는 불필요한 산화피막 제거4) Removal of unnecessary oxide film surrounding the catalyst

5) 연료전지 반응에 적합한 촉매 전자 구조 제어 5) Catalyst electronic structure control suitable for fuel cell reaction

본 발명에서는 위 조건을 만족시킬 수 있는 연료전지의 빠르고 완전한 활성화 조건을 찾아 최적의 연료전지 성능을 발현하기 위한 활성화 방법을 제공한다. The present invention finds a fast and complete activation condition of a fuel cell that can satisfy the above conditions, and provides an activation method for expressing optimal fuel cell performance.

본 발명은 활성화가 오래 걸리는 MEA및 스택도 약 2시간 반 이내에 안정적으로 최대 성능을 측정하기 위한 가속 활성화 절차를 제시하고자 한다.The present invention seeks to present an accelerated activation procedure for reliably measuring maximum performance within about two and a half hours for MEAs and stacks that require long activation.

먼저, 연료전지의 활성화를 위해 장비에 장착한 다음, 연료전지에 반응가스를 공급하고, 연료전지를 무부하 또는 부하 상태로 유지하는 등의 준비과정을 마친 후, 위의 가속화 절차를 두 단계로 세분화 한다.First, the fuel cell is mounted on the equipment for activation of the fuel cell, the reaction gas is supplied to the fuel cell, the fuel cell is maintained at no load or load state, and the preparation process is divided into two steps. do.

두 단계는 아래와 같다. The two steps are as follows:

▶ 1단계 : 가습된 질소 공급 → 막 및 전극의 전해질 수화를 위한 방법 ▶ Step 1: Supply humidified nitrogen → Method for electrolyte hydration of membrane and electrode

▶ 2단계 : CV (cyclo voltammetry) → 전극층 활성화 방법▶ Step 2: CV (cyclo voltammetry) → electrode layer activation method

1단계에서는 가습된 질소를 공급하여 막 및 전극을 수화시킨다.In the first step, humidified nitrogen is supplied to hydrate the membrane and the electrode.

가습된 질소는 막과 전극의 전해질에 물을 공급해 준다.Humidified nitrogen supplies water to the electrolyte in the membrane and electrode.

이렇게 공급된 물에 의하여, 막과 전극의 전해질의 수소 이온 통로를 확보되어, 음극에서 발생하는 수소 이온의 이동을 원활하게 해 준다.The water thus supplied secures a hydrogen ion passage between the membrane and the electrolyte of the electrode, thereby facilitating the movement of the hydrogen ions generated at the cathode.

여기서, 상기 1단계에서는 전자 부하 및 인가 장치를 사용하지 않고 가습된 공기만 공급할 수 있다. Here, in the first step, only humidified air may be supplied without using an electronic load and an application device.

이때, 가습을 위해 제공되는 가스는 질소, 산소, 수소 및 불활성 가스 모두를 포함할 수 있다.In this case, the gas provided for humidification may include all of nitrogen, oxygen, hydrogen, and an inert gas.

그러나, 이러한 가습으로만 MEA의 활성화가 완전히 이루어지지 않는다.However, only this humidification does not completely activate the MEA.

활성화 과정에서 불순물 및 불필요한 산화 피막을 제거 및 반응에 적합한 전자 구조 제어도 이루어져야 한다. During the activation process, an electronic structure control suitable for removing impurities and unnecessary oxide film and reacting should be made.

본 발명에서는 불순물 및 불필요한 산화 피막을 제거 및 반응에 적합한 전자 구조 제어를 간단하게 수행하기 위하여 2단계인 CV 단계를 도입하였다.In the present invention, a two-step CV step is introduced to easily perform electronic structure control suitable for removing impurities and unnecessary oxide films and for reaction.

CV 단계에서 음극에서는 수소를 공급하고 양극에서는 질소를 공급해 주고, 0.0V ~ 3V이내에 특정한 영역에서 전압을 반복 순환하는 과정이다.In the CV stage, hydrogen is supplied from the cathode, nitrogen is supplied from the anode, and the voltage is repeatedly circulated in a specific region within 0.0V to 3V.

이러한 과정에서 촉매의 불순물 및 불필요한 산화 피막이 제거 및 반응에 적합한 촉매의 전자구조로 변환된다.In this process, the impurities of the catalyst and the unnecessary oxide film are converted into the electronic structure of the catalyst suitable for removal and reaction.

CV 과정을 거치는 이유는, 불순물 및 불필요한 산화피막을 제거하는데 효과적이기 때문이다.The reason for going through the CV process is that it is effective in removing impurities and unnecessary oxide film.

불순물 및 불필요한 산화피막을 제거하기 위해서는, 일정 에너지가 공급되어야 한다.In order to remove impurities and unnecessary oxide film, a constant energy must be supplied.

이러한 불순물 및 불필요한 산화피막을 제거하는데 일반적으로 사용되는 에 너지는 열에너지이다.The energy commonly used to remove these impurities and unwanted oxide films is thermal energy.

그러나, 불필요한 산화피막 및 불순물을 제거하는데 필요한 열에너지는 300도 이상인데, 이때 막 및 전극에 전해질도 열분해된다.However, the thermal energy required to remove unnecessary oxide film and impurities is 300 degrees or more, at which time the electrolyte is also thermally decomposed to the film and the electrode.

따라서, 열에너지를 이용하여 불순물 및 산화피막을 제거하는 것에는 한계가 있다. Therefore, there is a limit in removing impurities and oxide films by using thermal energy.

이러한 한계를 극복하기 위해서 다른 에너지원을 이용해야 한다.To overcome these limitations, other energy sources must be used.

본 발명에서는 불순물 및 산화피막을 제거하기 위해서 전기화학 에너지를 사용하였다.In the present invention, electrochemical energy was used to remove impurities and oxide films.

불순물이 제거되기 위해서는 산화가 이루어져야 한다.Oxidation must be done to remove impurities.

산화는 전자를 잃는 반응이다.Oxidation is a reaction that loses electrons.

전자를 잃는 반응은 전압이 높을수록 잘 이루어진다.The loss of electrons works better at higher voltages.

또한, 불필요한 산화피막의 제거는 환원 반응이다.In addition, the removal of the unnecessary oxide film is a reduction reaction.

환원 반응은 전자를 얻는 반응이다.The reduction reaction is a reaction for obtaining electrons.

이러한 환원반응은 전압이 낮을수록 제거되기가 쉽다.This reduction reaction is easier to remove the lower the voltage.

즉, 불순물을 제거하기 위해서는 전위가 높아야 하고, 불필요한 산화피막을 제거하기 위해서는 전위를 낮추어 줘야 한다. That is, the potential must be high to remove impurities, and the potential must be lowered to remove unnecessary oxide films.

이렇게, 산화 환원이 일어나기 위해서는 산화전위는 높게 만들어주고, 환원전위는 낮게 만들어 주어야 한다. Thus, in order for redox to occur, the oxidation potential must be made high and the reduction potential must be made low.

이러한 것을 CV 사이클에서 수행하게 된다.This is done in the CV cycle.

따라서, CV 사이클은 0.0V ~ 3V이내에 특정한 영역에서 전압을 반복 순환하 는 과정이다.Therefore, CV cycle is the process of repeatedly circulating voltage in a specific region within 0.0V to 3V.

즉, 0V에서 1V이상으로 전압을 높이는 단계에서는 산화 전위가 1V 이상이므로 불순물이 원활이 제거되고, 1V 이상인 전압에서 0V까지 전압을 낮추는 단계에서는 환원전위가 0V 근처로 충분히 낮으므로 산화피막이 원활히 제거되게 된다.That is, in the step of increasing the voltage from 0V to 1V or more, impurities are smoothly removed because the oxidation potential is 1V or more, and in the step of decreasing the voltage to 0V at a voltage of 1V or more, the reduction potential is sufficiently low near 0V so that the oxide film is smoothly removed. do.

따라서, 이러한 전압을 반복 순환하면서 불필요한 산화피막과 불순물을 제거할 수 있다. Therefore, unnecessary oxide film and impurities can be removed while repeating this voltage.

이와 같이 2단계의 CV 사이클에서는 0.0V ~ 3V 사이의 전압에서 임의의 값에서 전압을 순환시킬 수 있고, 이러한 CV 사이클을 몇 단계로 분할하여 수행하거나, 아니면 한번에 연속적으로 여러 CV 사이클을 구동할 수 있다. In this two-step CV cycle, you can cycle the voltage at any value at a voltage between 0.0 V and 3 V, divide it into several steps, or drive several CV cycles in succession at once. have.

또한, CV 사이클을 분할하는 경우 분할 중간에 가습된 공기를 불어 넣어줄 수 있고, CV 사이클 때 가습된 가스는 음극에서는 수소를 공급하고, 양극에는 불활성 기체 및 산소를 공급할 수 있다. In addition, when the CV cycle is divided, humidified air may be blown in the middle of the division. The humidified gas may supply hydrogen at the cathode and inert gas and oxygen at the anode.

그러나, 기존 스텝 전압법에서는 음극에는 수소, 양극에는 공기를 주입시켜, 낮은 전압에서 전류를 생성시킴으로써, 불순물 및 불필요한 산화피막을 제거하게 된다.However, in the conventional step voltage method, hydrogen is injected into the cathode and air is injected into the anode to generate a current at a low voltage, thereby removing impurities and unnecessary oxide film.

여기서는 환원전위가 낮을수록 산화피막이 잘 제거되는데 반하여, 이러한 방법은 전체 전압이 0.4V로 환원 전위로서는 높아서 산화피막을 제거하는데 한계가 있다.In this case, the lower the reduction potential, the more the oxide film is removed. On the other hand, this method has a limit of removing the oxide film because the total voltage is 0.4V and the reduction potential is high.

그 뿐만 아니라, 불순물을 산화시키기 위해서는 전압이 높아야 하는데 MEA의 OCV인 최대 1V 이하이기 때문에 불순물이 제거 되는데 한계가 있다.In addition, in order to oxidize the impurity, the voltage must be high, but since the maximum is 1V or less, which is the OCV of the MEA, there is a limit in removing the impurity.

도 2에서는 1단계 및 CV 사이클 횟수에 따른 셀 성능을 나타내었다.2 shows the cell performance according to the first stage and the number of CV cycles.

1단계 과정인 전해질 가습에 따른 셀 성능을 알아보기 위하여 초기 30분 가습 후에는 셀 성능을 측정한 결과, 가습이 불충분하여 셀 성능이 매우 낮았다.In order to determine the cell performance according to the electrolyte humidification, which is the first step, the cell performance was measured after the initial 30 minutes of humidification. As a result, the cell performance was very low due to insufficient humidification.

그러나, 가습을 2시간 수행하여 측정한 셀 성능과, 가습을 3시간 수행하여 셀 성능을 측정한 결과 셀 성능은 거의 유사하였다.However, the cell performance measured by performing humidification for 2 hours and the cell performance measured by performing humidification for 3 hours were almost similar.

이러한 결과는 가습만으로는 셀 성능이 증가하는데 한계가 있으며, 2단계 과정인 촉매의 활성화가 꼭 필요하다는 것을 의미한다.These results indicate that humidification alone is limited to increase cell performance, and activation of the catalyst, which is a two-step process, is essential.

도 2에서 보면 CV 횟수에 따라서 셀 성능이 증가하다가 일정한 값에 도달하게 된다.In FIG. 2, the cell performance increases with the number of CVs and reaches a constant value.

따라서, CV 활성화의 사이클 횟수는 평균 30 ~ 45회 정도가 적당하다.Therefore, the average number of cycles of CV activation is about 30 to 45 times.

CV 사이클에 따른 전극 활성의 변화를 도 3에 나타내었다.The change in electrode activity according to the CV cycle is shown in FIG. 3.

CV 사이클을 전혀 수행하지 않았을 때는 0.2V ~ 0.6V 사이에서 전압에 따라 전류가 증가하는 현상을 보인다.When no CV cycle is performed, the current increases with voltage between 0.2V and 0.6V.

이는 초기 CV 사이클에 의하여 촉매 반응에 생긴 물에 의하여 촉매 사이트의 수화가 발생하여 전극에서의 저항 감소하였기 때문이다.This is because hydration of the catalyst site occurs due to the water generated in the catalytic reaction by the initial CV cycle, thereby reducing the resistance at the electrode.

또한, CV 사이클에 의하여 0.8V ~ 1.2V에서 나타나는 Pt-oxide층의 변화가 발생한 것을 확인할 수 있었다.In addition, it was confirmed that the Pt-oxide layer change occurred at 0.8V to 1.2V by the CV cycle.

이는 불필요한 Pt-oxide의 층과 불순물의 제거로 인하여 발생한 것으로 생각된다.This may be due to the removal of unnecessary Pt-oxide layers and impurities.

도 4에서는 CV 활성화법으로 활성화 과정을 수행한 셀 성능과 추가로 스텝 전압법을 도입한 것의 셀 성능을 나타내었다.4 illustrates the cell performance of the activation process by the CV activation method and the cell performance of the step voltage method.

CV 활성화법으로만 활성화를 수행한 것의 셀 성능과 이에 추가로 4시간 스텝 전압법을 이용하여 활성화를 수행한 것의 셀 성능이 유사하였다.The cell performance of the activation using only the CV activation method was similar to that of the activation using the 4-hour step voltage method.

이는 CV 활성화법으로 활성화가 된 MEA가 최대 셀 성능을 나타냄을 의미한다. This means that MEA activated by CV activation shows the maximum cell performance.

도 5에서는 스텝 전압법을 6시간 수행한 후 CV 활성화법을 추가로 수행하여 각각의 셀 성능을 나타내었다.In FIG. 5, after performing the step voltage method for 6 hours, the CV activation method was further performed to show each cell performance.

스텝 전압법을 이용하여 6시간 활성화 하였을 경우 성능이 749.8 mW/cm2이었지만, 이것을 추가로 CV 활성화법으로 하였을 경우 CV 사이클에 따라 점점 증가하다가 CV 사이클을 36회 한 경우 셀 성능이 882.9 mW/cm2로 18%가 증가하였다. The performance was 749.8 mW / cm 2 for 6 hours using the step voltage method.However, when the CV activation method was used, the cell performance increased gradually with CV cycles. 2 increased by 18%.

이는 도 4와 도 5에서 알 수 있듯이, 장 시간 동안 수행한 스텝 전압법이 연료전지를 활성화 하는데 한계가 있으며, CV 활성화법으로 활성화를 수행한 결과 빠른 시간내에 최대 셀 성능에 도달한 것을 확인 할 수 있었다. 4 and 5, the step voltage method performed for a long time has a limitation in activating the fuel cell, and as a result of performing the activation by the CV activation method, it is confirmed that the maximum cell performance is reached in a short time. Could.

따라서, 본 발명에서 제공하는 CV 활성화법을 이용한 활성화 기술을 적용하는 경우, Therefore, when applying the activation technique using the CV activation method provided by the present invention,

1) 연료전지 활성화 시간이 기존 방법 대비 최소 50% 이상 감소시킬 수 있다. 1) Fuel cell activation time can be reduced by at least 50%.

2) MEA를 활성화 시킬 때, 1단계에서는 활성화 장비를 사용하지 않고 가습 가스만 공급만 해주면 되고, 2단계에서 전자인가 시스템을 최대 20분 정도만 사용 하면 되므로 전자 인가 시스템을 사용하는 시간이 크게 줄어 활성화 장치에 드는 비용을 크게 낮출 수 있다. 2) When activating the MEA, in step 1, only the humidification gas is supplied without using the activation equipment. In step 2, the electronic accreditation system can be used up to 20 minutes. The cost to the device can be significantly lowered.

3) 기존 활성화 절차 적용시 사용되는 수소 사용량인 약 1,200L/cell 과 비교하여 수소 사용량이 CV 사이클에 필요한 양인300L/cell 이하로 수소 사용량을 약 ¼ 이하로 줄일 수 있어 스택 생산 단가를 크게 낮출 수 있다.3) Compared with about 1,200L / cell of hydrogen used in the existing activation procedure, hydrogen consumption can be reduced to less than ¼ or less with the amount of hydrogen used below 300L / cell, which is necessary for CV cycle, which can significantly reduce the stack production cost. have.

도 1은 스텝 전압을 이용한 활성화 평가 방법 및 결과를 나타내는 그래프1 is a graph showing an activation evaluation method using a step voltage and a result

도 2는 본 발명의 1단계 과정인 가습만 수행하였을 경우와 CV 사이클 횟수에 따른 셀 성능을 나타내는 그래프Figure 2 is a graph showing the cell performance according to the number of CV cycles and when only the humidification step 1 process of the present invention

도 3은 본 발명의 2단계 과정인 CV 사이클에 따른 전극 활성의 변화를 나타내는 그래프3 is a graph showing the change in electrode activity according to the CV cycle, a two-step process of the present invention

도 4는 CV 활성화법으로 활성화 과정을 수행한 셀 성능과 추가로 스텝 전압법을 도입한 것의 셀 성능을 나타내는 그래프4 is a graph showing the cell performance of the activation process by the CV activation method and the cell performance of the step voltage method introduced.

도 5는 스텝 전압법을 6시간 수행한 후 CV 활성화법을 추가로 수행하여 각각의 셀 성능을 표시한 그래프5 is a graph showing the performance of each cell by further performing the CV activation method after performing the step voltage method for 6 hours.

Claims (8)

고분자 전해질 연료전지 MEA의 활성화 방법에 있어서, In a method of activating a polymer electrolyte fuel cell MEA, 연료전지를 활성화하기 위해 장비에 장착한 후, 2단계로 세분화하여 활성화시키는 단계를 수행하되, 막 및 전극의 전해질 수화를 위하여 가습된 가스를 공급하는 1단계와, 전극층 활성화를 위하여 CV(cyclo voltammetry) 활성화법을 실시하는 2단계를 수행하는 것을 특징으로 하는 CV 활성화법을 이용한 고분자 전해질 연료전지 MEA의 활성화 방법.After the fuel cell is mounted on the equipment to activate the fuel cell, the fuel cell is subdivided into two stages, and the first stage is supplied with humidified gas for electrolyte hydration of the membrane and electrode, and the CV (cyclo voltammetry) for the electrode layer activation. A method of activating a polymer electrolyte fuel cell MEA using a CV activation method, characterized in that performing two steps of the activation method. 청구항 1에 있어서, 상기 1단계에서는 전자 부하 및 인가 장치를 사용하지 않고 가습된 공기만 공급하는 것을 특징으로 하는 CV 활성화법을 이용한 고분자 전해질 연료전지 MEA의 활성화 방법.The method of claim 1, wherein in the first step, humidified air is supplied without using an electronic load and an application device. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 2단계의 CV 사이클에서는 0V ~ 3V 사이의 전압에서 임의의 값에서 전압을 순환시키는 것을 특징으로 하는 CV 활성화법을 이용한 고분자 전해질 연료전지 MEA의 활성화 방법.The method according to claim 1 or 2, wherein the CV cycle of the second step circulates the voltage at any value at a voltage between 0V and 3V. 청구항 3에 있어서, 상기 2단계에서 CV 사이클을 몇 단계로 분할하여 수행하거나, 또는 한번에 연속적으로 여러 CV 사이클을 구동하는 것을 특징으로 하는 CV 활성화법을 이용한 고분자 전해질 연료전지 MEA의 활성화 방법.The method of claim 3, wherein the CV cycle is divided into several steps in the second step, or several CV cycles are continuously driven at a time. 5. 청구항 4에 있어서, 상기 2단계에서 CV 사이클을 분할할 때, 분할 중간에 가습된 공기를 불어넣어 주는 것을 특징으로 하는 CV 활성화법을 이용한 고분자 전해질 연료전지 MEA의 활성화 방법.The method of claim 4, wherein when the CV cycle is divided in the second step, humidified air is blown in the middle of the division. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 1단계에서 가습된 가스는 질소를 포함하여, 산소, 수소 및 불활성 기체 모두를 포함하여 가습하는 것을 특징으로 하는 CV 활성화법을 이용한 고분자 전해질 연료전지 MEA의 활성화 방법.The method of claim 1 or 2, wherein the gas humidified in the first step is humidified by including oxygen, hydrogen, and an inert gas, including nitrogen, and the method of activating the polymer electrolyte fuel cell MEA using the CV activation method. . 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 2단계에서 CV 사이클 때 가습된 가스는 음극에서는 수소를 공급하고, 양극에는 불활성 기체 및 산소를 공급하는 것을 특징으로 하는 CV 활성화법을 이용한 고분자 전해질 연료전지 MEA의 활성화 방법.3. The polymer electrolyte fuel cell MEA of claim 1, wherein the humidified gas is supplied with hydrogen at the cathode and inert gas and oxygen is supplied to the anode during the CV cycle. Activation method. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 MEA의 활성화를 위하여 CV 사이클에서 각각에 셀을 병렬로 연결하여 스택을 제어하거나, 또는 셀을 직렬로 연결하여 스택 전체를 CV 사이클로 수행하는 것을 특징으로 하는 CV 활성화법을 이용한 고분자 전해질 연료전지 MEA의 활성화 방법.The CV activation according to claim 1 or 2, wherein in order to activate the MEA, cells are connected in parallel to each other in a CV cycle to control stacks, or cells are connected in series to perform a stack as a CV cycle. Method for activating a polymer electrolyte fuel cell MEA using the method.
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